1 引言
在電力系統(tǒng)中,異步電動機和變壓器等設備要消耗大量的無功功率。這些無功功率如果 不能及時地得到補償?shù)脑?,會對電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行產(chǎn)生不利影響。提高電網(wǎng)功率因數(shù), 確保供電質(zhì)量和電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性具有重要的現(xiàn)實意義。
晶閘管投切電容器(thyristor switched capacitor,TSC)是一種并聯(lián)的晶閘管投切的電 容器,通過對晶閘管閥進行全導通或全關斷控制,可階梯式改變其等效容抗。它通常由多個 并聯(lián)的電容器支路組成,每個支路都由設有觸發(fā)角控制的晶閘管閥來投切,從而達到階梯式 改變注入系統(tǒng)無功功率的目的。對TSC 的控制策略[2-3],目前工程上廣泛采用的是九區(qū)圖控 制法[4],該方法沒有考慮電壓與無功的相互影響,控制方法比較簡單粗糙,存在控制性能不 好,投切振蕩等問題。
2 TSC 的基本原理
單相的TSC 的基本結構如圖1 所示,它由電容器、雙向?qū)ňчl管(或反并聯(lián)晶閘管) 和阻抗值很小的限流電抗器組成。限流電抗器的主要作用是限制晶閘管閥由于誤操作引起的 浪涌電流,而這種誤操作往往是由于誤控制導致電容器在不適當?shù)臅r機進行投入引起的。同 時,限流電抗器與電容器通過參數(shù)搭配可以避免與交流系統(tǒng)電抗在某些特定頻率上發(fā)生諧 振。TSC 有兩個工作狀態(tài),即投入和斷開狀態(tài)。投入狀態(tài)下,雙向晶閘管(或反并聯(lián)晶閘 管)導通,電容器(組)起作用,TSC 發(fā)出容性無功功率;斷開狀態(tài)下,雙向晶閘管(或 反并聯(lián)晶閘管)阻斷,TSC 支路不起作用,不輸出無功功率。在工程實際中,一般將電容 器分成幾組,每組都可由晶閘管投切。這樣可根據(jù)電網(wǎng)的無功需求投切這些電容器,TSC 實際上就是斷續(xù)可調(diào)的發(fā)出容性無功功率的動態(tài)無功補償器。
3 九區(qū)圖控制法原理及缺點
傳統(tǒng)的無功補償九區(qū)圖控制法如圖 2 所示:
九區(qū)圖控制原理存在的問題主要是:控制策略是基于固定的電壓無功上下限而未考慮無 功調(diào)節(jié)對電壓的影響及其相互協(xié)調(diào)的關系;用于運算分析的信息有分散性、隨機性的特點, 造成了控制策略的盲目和不確定性,實際表現(xiàn)為設備頻繁調(diào)節(jié)。當系統(tǒng)運行于第7 區(qū)的運行 點①時,無功合格、電壓偏低,這時應該是調(diào)節(jié)變壓器分接頭,使電壓升高。可是電壓和無 功是相互影響的,電壓升高,功率因數(shù)會變大,這時運行點有可能進入1 區(qū)在②點運行。此 時,電壓合格、無功越下限,應該切電容,如果這時己經(jīng)沒有電容器可切除則降低電壓,這 樣又會影響電網(wǎng)中的無功功率,有可能使運行點回到①點。因此會造成升壓→降壓→升壓→ 降壓……,這樣的操作指令,使運行點在1 區(qū)和7 區(qū)之間來回振蕩。另外,相似的情況在運 行點③和④之間也存在。
4 模糊控制策略
4.1 模糊控制器的結構
本文采用的模糊控制器[5]的結構如圖3 所示,選擇電壓偏差△U 及無功偏差△Q 作為模 糊控制器的輸入變量,選擇無功功率的補償量△C 作為模糊控制器的輸出變量,從而構成2 輸入單輸出的模糊控制系統(tǒng)。
4.2 輸入∕輸出變量模糊化
4.3 模糊控制規(guī)則
模糊控制規(guī)則可以用如下模糊語句的形式來描述:
結合實際工作人員的經(jīng)驗,可以得到模糊控制器的控制規(guī)則表,如表1 所示。
4.4 模糊推理
確定了模糊推理系統(tǒng)的模糊輸入變量,輸入變量的隸屬度函數(shù)和控制規(guī)則,就可以對模 糊推理系統(tǒng)進行模糊推理。本文采用Mamdani 推理法。Mamdani 推理法是一種在模糊控制 中普遍使用的方法,在本質(zhì)上是一種合成推理方法。Mamdani 模糊蘊含關系A→B 用A 和B 的直積表示,即有:A→B=A×B,即R(u,v)=A(u)∧B(v)。
4.5 解模糊
在得到模糊關系矩陣之后,將輸入變量的向量和關系矩陣運算,可以得到輸出量的模糊 子集。將輸出量的向量通過非模糊的方法,可以計算出輸出量模糊論域中的一個值,建立控 制表。本文采用了重力中心法對被控量進行解模糊。其計算方法為:
5 仿真及分析
利用MATLAB 里的模糊邏輯工具箱[6],按上述步驟建立一個模糊推理系統(tǒng),并使用 simulink 建立一個系統(tǒng)仿真模型。用兩個隨機信號(Random Number)來模擬模糊控制器的 兩個輸入變量電壓偏差△U 及無功偏差△Q,其輸出為電容器組的投切數(shù)量。仿真波形如圖 4 所示。
分析如下:
當t=0.4~0.5 秒左右時,電壓偏差是負小,無功偏差為零,電容器組投切量基本為0。 因為這種情況基本屬于電壓、無功合格區(qū),所以電容器組不動作。
當t=0.7~0.8 秒左右時,電壓偏差是正大,無功偏差是正大,投電容器量是正中的,因 為無功偏差是正大的,通過投電容器可以降低電網(wǎng)無功,但考慮到電網(wǎng)電壓偏差很大,所以 投電容器量沒有選擇是最大的。
當t=2~2.1 秒左右時,電壓偏差為零,無功偏差為正大,投電容器組的量為正大。因為 無功偏差為正大,即需要補償大量的感性無功,通過投電容器組,可以補償感性無功,提高 電網(wǎng)的功率因素。
當t=2.8~2.9 秒左右時,電壓偏差正小,無功偏差負大,切電容器組的量為負大。因為 無功偏差是負大的,通過切電容器可使無功變大,在無功偏差與電壓偏差相比時,本控制策 略更偏重于對無功的補償,因為提高電網(wǎng)中的功率因數(shù)可以使電能質(zhì)量大大提高。
6 結論
本文通過對傳統(tǒng)九區(qū)圖控制法的分析,指出其缺點,研究了電壓無功綜合控制的模糊推 理系統(tǒng)。并使用MATLAB 進行輔助設計,由仿真結果可知,該模糊推理器對于電容器的綜 合控制己經(jīng)達到了要求。
本文創(chuàng)新觀點:采用模糊控制算法實現(xiàn)TSC 無功補償?shù)目刂?,與傳統(tǒng)九區(qū)圖控制 法相比,具有很大的優(yōu)越性,該控制系統(tǒng)減少了電容投切次數(shù),增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
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